似膏体充填开采工业广场保护煤柱后地表移动变形分析

王 猛，牛誉贺，代连朋，杜德英

(1.辽宁工程技术大学矿业学院，辽宁阜新 123000;2.山西焦煤集团博士后科研工作站，山西太原 030024)

0 引言

中国是世界上最大的煤炭生产、消费大国，据有关部门预测，一次能源生产总量和一次能源消费问题中煤炭均占70%以上。富煤、缺油、少气的资源结构，决定了在今后较长时期内，以煤为主的能源结构不会发生根本改变［1-2］。随着我国煤炭资源的不断开采，其中影响煤炭资源可持续开采和矿区生产稳定发展的重要问题之一则是如何安全高效开采“三下”(建筑物下、铁路下、水体下)压煤。据相关统计表明，国有煤矿的生产矿井“三下”压煤高达140×108t，我国92%的煤炭资源由井工开采，且一直沿用垮落式顶板管理，传统的顶板垮落法开采方式开采后将引起地表的沉陷，造成的煤矸石占压土地、地下水流失、土地塌陷、搬迁补偿不到位引发的种种问题，影响了矿区生态环境和社会和谐。

改革传统的煤炭开采方式，实施“绿色采矿”技术，是实现煤炭资源可持续开采的根本。随着以矸石、粉煤灰、黄土等固体废弃物为充填材料的充填采煤技术及相关充填开采岩层控制理论日益成熟，采用固体废弃物直接充填开采的方法解放“三下”压煤已经逐步开展，并成为控制地表变形破坏和改善矿区环境的有效途经。为深入研究似膏体充填开采后上覆岩层及地表移动变形规律，预计出地表建(构)筑物的变形破坏程度，需要对似膏体充填开采后地表移动变形规律进行预计。与常规预计分析不同之处在于似膏体充填开采的采高确定问题。缪协兴等提出了矸石等固体充填材料的“等效采高”的定义，认为实施采空区充填后，从岩层移动分析的角度看，就是使实际采出的煤厚降低了。所谓等价采高，就是指实际采高M减去充入物体的高(厚)度M0，在计算过程中考虑了采空区已有初始下沉量，初始充填体的压实系数和最终充填体压实系数并通过现场的工业性应用验证了其有效性［3-4］。施现院等研究了基于等价采高模型的膏体充填开采沉陷预计，建立了适合于膏体充填开采的等价采高模型［5］。余伟健等［6］针对矸石整体置换“三下”煤柱引起的岩层移动问题，分析了关键层移动与等价采高的关系;苏仲杰等［7］应用数值模拟的方法对充填开采地表下沉系数进行了分析;而以比膏体浓度低的似膏体充填开采的“等价采高”及其对地表移动变形控制的研究较少且不够深入，本文从考虑似膏体充填开采的角度建立“等价采高”计算模型并进行地表移动变形控制实例分析。

1 工程背景

西马煤矿位于辽宁省灯塔市西马峰镇，井田面积25 km2，主采煤层为12#煤层和13#煤层。在井田范围内有村庄和工业广场等地表建筑(构)物，并且有石油管道和高速公路贯穿井田东西，各类保护煤柱占用了很大的储量。截止2012年末，村庄、公路(桥)、工业广场及防水煤柱等压煤量共计4934.3×104t，“三下”压煤量占矿井总储量的89.66%。为解决矿井的正常接续工作，延长矿井服务年限，矿井对处于工业广场保护煤柱范围内的1327工作面进行似膏体充填开采，对其开采后地表移动变形规律进行分析研究，保证地表建(构)筑物的正常使用，1327工作面范围内井上下对照见图1。1327工作面位于-350 m水平南一采区，地表标高为+18.5 m，工作面煤层标高为-465～-476 m。工作面范围内的13煤为复合煤层，含上、下两层煤，设计开采煤层厚度1.50 m，平均倾角9°。工作面走向长度为140 m，倾斜长度为600 m。工作面范围内地质构造简单，呈单斜构造，无大的断层或褶皱发育。直接顶板为中砂岩，老顶为中粗砂岩，底板为粉砂岩。采用倾斜长壁综合机械化采煤方法，采空区采用似膏体充填进行管理顶板，主要保护地面工业广场内电缆架桥、洗煤厂主洗车间、介质库、油泵房等建筑物。

图1 南一采区1327工作面井上下对照图Fig．1 Contrast for shaft to surface of South I mining area

2 似膏体充填开采等价采高计算模型

采用似膏体充填开采管理采空区的方式，其上覆岩层变形破坏规律与采用传统的垮落法开采管理采空区是有区别，关键原因是两种开采方式的煤层开采厚度是不同的，造成上覆岩破坏规律的差异，传统的垮落法上覆岩层存在“三带”，即垮落带、断裂带、弯曲下沉带，而采用似膏体充填开采后，由于采高的大幅度减少，上覆岩层的变形破坏程度受充填体的约束而有所降低。缪协兴［8-9］等学者建立的固体废弃物矸石充填等价采高模型不能直接应用于似膏体充填开采中，由于固体废弃物砖石充填只需考虑充填体矸石压缩变形即可，而似膏体充填体在其承受上覆岩层重量及水平作用力时还受充填体在凝固后的收缩变形量、支护后顶底板移近量、充填欠接顶量等因素影响。因此必须建立适合于似膏体充填开采的等价采高计算方法，从而为准确预计地表移动变形规律提供详实的计算参数。

似膏体自地面通过管道及充填袋充入采空区后，经过凝固、稳定、承压后，上覆岩层至地表范围内会产生一定量的变形，其中地表下沉量由支架后顶底板移近量、充填欠接顶量、充填体的变形量为主组成，据此提出似膏体充填等价采高计算模型见图2。

图2 似膏体充填等价采高模型图Fig．2 Model of equivalent mining height for paste-fillingm—实际采高;md—等价采高;h—实际充填高度;δ—支架后顶底板移近量;Δ—充填欠接顶高度;s—充填体变形量。

由图2可知似膏体等价采高可表述为:

式中:δ——支护后顶底板移近量/m;

Δ——充填欠接顶高度/m;

s——充填体的变形量/m。

其中δ主要是由开采后至充填体受力前的顶板下沉量及底板底臌量组成;Δ主要是受现场实施充填技术、充填工艺及开采方法引起的(仰斜工作面充填效果最好);s主要与充填材料的压缩率与其受力状态密切相关。

在南一1327工作面进行似膏体充填开采前，矿方在工业广场保护范围外，与地质条件、煤层覆存条件、充填开采工艺一致且邻近1327工作面的1326工作面进行了似膏体充填开采试验，为支架后顶底板移近量、充填欠接顶量、充填体的变形量的计算提供了实测数据，以下对等价采高计算模型中三部分计算分析均来自1326工作面实测。

2.1 支架后顶底板移近量实测分析

煤层开采后，煤层顶底板失去支撑，两端处于“自由面”状态。在上覆岩层及底板围岩应力的作用下，顶底板将向采空区的自由空间产生相对移动。顶底板相对移近量主要取决于围岩应力的大小，顶底板岩性，空顶面积及时间，支架的初撑阻力和工作阻力等因素。围岩应力越大，岩性越弱，空顶面积越大、时间越长，支架阻力越小，顶板移近量越大;反之，则越小。

支架后顶底板移近量采用全站仪别测量采煤机割煤后和充填工作后的顶底板高度差，即为移近量。自1326工作面开切眼开始沿工作面推进方向每隔20 m设置一个测点，每个测点距回风顺槽分别为60 m、57 m、54 m、51 m、48 m、45 m、42 m、39 m、36 m，进行了5次数据采集测量，测量的结果见表1。

表1 支架后顶底板移近量测量数据Table 1 Measure distance data between roof and floor behind hydraulic support

五次测量的支架后顶底板移近量0.017～0.050 m，平均值为0.033 m。由数据表可以看出共出现两次最大值0.050 m，分别出现在207号测点和106号测点。为安全考虑，在计算等价采高时，选用测得的最大支架后顶底板移近量0.05 m。

2.2 充填欠接顶高度实测分析

南一1326工作面采用似膏体充填开采共进行了58次充填，每次充填均进行了充填高度测量和充填状态素描。从充填素描中可以看出，沿煤层倾斜方向自上向下进行充填时，由于充填步距及煤层倾角等因素的影响，充填体呈“小台阶”状形态分布，造成充填体与顶板在不同位置出现高度不等的不接顶现象。将各组测试数据进行统计(表2)。

表2 开采高度及充填高度统计表Table 2 Mining height and filling height table

从表2中可知，充填开采后，充填体与顶板最大欠接顶高度为0.385 m，最小欠接顶度为0.240 m，平均欠接顶高度为0.317 m，平均充满率为77.03%，未充填率为22.97%。随着充填工艺的不断完善，充填操作水平的提高和经验的积累，充满率将会不断提高。在计算等价采高时，选用平均欠接顶高度0.317 m进行计算。则工作面的充填体高度为1.183 m。

2.3 充填体变形量分析

充填材料的压缩率与其受力状态密切相关，工作面回采后，采空区用似膏体材料充填后，充填体基本上处于三向受压状态，其强度应高于其上覆岩层的压力，从而起到了充填体控制上覆岩层下沉的目的。

充填体的压缩率与其自身的弹性模量有关。弹性模量可视为衡量材料产生弹性变形难易程度的指标，其值越大，使材料发生一定弹性变形的应力也越大，即材料刚度越大。亦即在一定应力作用下，发生弹性变形越小。似膏体材料的弹性模量对地表下沉量控制有着很大的影响，弹性模量越大，充填体的承载能力越强，压缩量就越小，地表下沉量也越小。通过大量的充填材料压缩性能试验可知，充填体的压缩率与开采深度、开采厚度、充填体的抗压强度(早期强度、8 h强度及后期强度)等因素有关，同时受浆液浓度、配比等因素影响。经实测，1326工作面充填后充填体的最大的压缩率为3.65%。选用该值计算等价采高。则充填体的压缩量为1.183×3.65%=0.043 m。

2.4 等价采高计算

主要影响等价采高的三个变量可通过试采工作面和实验得出实测结果。由以分析可知，似膏体充填开采的等价采高计算公式为md=δ+Δ+s，其中支架后顶底板移近量 δ取0.05 m，充填欠接顶高度 Δ取0.317 m，充填体变形量s取0.043，则采用似膏体充填后的等价采高为0.41 m。

3 似膏体充填开采工业广场保护煤柱后地表移动变形预计

3.1 地表移动变形预计软件系统及预计参数

在矿山开采后地表移动变形预计方面最为成熟并为现场所认知方法是概率积分法。概率积分法是基于随机介质理论的开采沉陷预计方法，20世纪50年代，波兰学者李特威尼申首先将其引入到岩层移动变形的研究之中，随后，我国学者何国清、杨伦等［10］将其发展并形成概率积分法。邹友峰、邓喀中等［11］国内专家学者利用概率积分法开发了诸多开采后地表移动变形预计软件，其预计理论基础均源于概率积分法。辽宁工程技术大学采矿技术研究院以概率积分法理论为基础，利用VC++为平台开发了开采沉陷预计可视化系统，具有计算速度快、操作简单、计算精度高及多工作面数据叠加等突出特点。

软件具有友好的交互式数据界面(图3)。可实现设置预计参数，如地质采矿条件(工作面长和宽、采深、采高、煤层倾角等)、预计参数(下沉系数、水平移动系数、影响角正切、拐点偏移距等)，预计点步长等。软件可实现地表移动盆地内走向、倾向、任意点沿走向倾向的地表移动变形计算功能，如图4为地表移动盆地内走向主断面移动变形计算数据。实现了走向半无限开采，倾向充分采动、走向有限开采，倾向充分采动、走向倾向均为有限开采三种预计类型。

预计参数的选择是根据煤科总院煤炭开采所《关于修订沈南矿区保护煤柱角量参数技术咨询报告》确定西马煤矿南一1327工作面似膏体充填开采的岩移参数:下沉系数q=0.72;水平移动系数b=0.35;第四系冲积层移动角 Φ =45°;基岩移动角 δ=75°，γ =75°，β =75-0.65α;主要影响角正切:tgβ=2.0;拐点偏移距S=0.05H。

3.2 地表移动变形预计

根据计算得到的似膏体充填等价采高及地表移动变形预计参数输入辽宁工程技术大学采矿技术研究院开发的开采沉陷预计可视化系统对南一采区1327工作面进行开采沉陷预计，得到似膏体充填开采后地表移动变形的下沉值等值线、水平变形等值线、倾斜变形等值线及曲率等值线如图5～8所示。预计范围内地表变形最大值见表3。单维修，但不影响建(构)筑物的正常使用。

图3 矿山开采沉陷预计可视化参数输入界面Fig．3 Parameter input interface of visual mining subsidence prediction

图4 地表移动盆地内走向主断面移动变形计算Fig．4 Deformation calculation of trend main section of movement basin

表3 地表移动变形预计数据Table 3 Surface movement and deformation prediction data

图5 下沉等值线图Fig．5 Contour line of subsidence

图6 水平变形等值线图Fig．6 Contour line of horizontal deformation

从图5～8可以看出，工业广场范围内的主要建(构)筑物电缆架桥、洗煤厂主洗车间、介质库、油泵房、浓缩车间备用水池民、油罐房等，地表下沉值在20～65 mm，倾斜变形值在-0.3～-0.55 mm/m，曲率变形值在0.001×10-3～0.003×10-3/m，水平变形值在0.1 ～0.2 mm/m。根据《建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规程》(2000)中损坏等级I的规定是:水平变形ε≤2.0 mm/m，曲率K≤0.2×10-3/m，倾斜i≤3.0 mm/m。从以上各建(构)筑物所处位置的移动变形等值线来看，均在I级损坏范围内，甚至远小于规定值。可见，对南一1327工作面似膏体充填开采后，对工业广场范围内的其中部分建(构)筑物可不维修或简

图7 倾斜变形等值线图Fig．7 Contour line of inclined deformation

图8 曲率等值线图Fig．8 Contour line of curvity

为了验证使用等价采高计算模型后的实际采高是否符合实际，在南一采区1327工作面开采前的地表上方沿工作面推进方向和垂直于推进方向分别设置了观测线并进行了回采期间的数据观测，数据整理后见表4。

表4 地表移动变形实测数据Table 4 Surface movement and deformation measured data

从表3和表4可以得知，下沉值预计数据和实测数据相差7 mm;最大倾斜值相差0.03 mm/m;最大水平移动值相差6mm;最大水平变形值相差0.05 mm/m;最大曲率变形值相差0.03×10-3/m，说明采用等价采高模型计算得出的地表移动变形与实测数据是吻合的。

4 结论

(1)根据等价采高的概念，似膏体充入采空区后，经过凝固、稳定、承压后，上覆岩层至地表范围内会产生一定量的变形，其中地表下沉量由支架后顶底板移近量、充填欠接顶量、充填体的变形量为主组成，据此提出了似膏体充填开采等价采高计算方法。

(2)依据建立的等价采高模型计算方法，分析了支架后顶底板移近量、充填欠接顶量、充填体的变形量，并对各量进行了实测分析，为似膏体充填开采工作面的地表变形预计提供了实测数据。

(3)利用自主研发的开采沉陷预计可视化系统对西马煤矿南一采区1327工作面进行了似膏体充填开采后地表移动变形预计，结果表明，预计值与实测值是吻合的，地表上方的建筑物损坏程度均在一级损坏允许范围之内，确保了建筑物的正常使用。

(4)利用似膏体充填等价采高模型并结合开采沉陷预计可视化系统对充填开采后的地表移动变形进行预计，预计结果是可信的，可推广到相应矿区的似膏体充填开采研究工作。

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